低溫污水生物處理技術研究現狀與展望

王碩時文歆王燕于水利李激

（1. 江南大學環境與土木工程學院　江蘇省厭氧生物技術重點實驗室，無錫　214122；2. 清華大學　國家環境保護環境微生物利用與安全控制重點實驗室，北京　100084；3.　哈爾濱工業大學　城市水資源與水環境國家重點實驗室，哈爾濱　150090）

低溫污水生物處理技術研究現狀與展望

王碩1，2時文歆3王燕1于水利3李激1

（1. 江南大學環境與土木工程學院江蘇省厭氧生物技術重點實驗室，無錫214122；2. 清華大學國家環境保護環境微生物利用與安全控制重點實驗室，北京100084；3.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，哈爾濱150090）

我國絕大多數地區冬季污水處理能力降低，處理成本增加，進而影響周邊環境，危害人類健康。總結了近年來國內外學者對低溫污水生物處理技術的研究成果，以不同形態污泥（絮狀污泥、厭氧顆粒污泥和好氧顆粒污泥）為出發點展開分析，通過對不同形態污泥的優缺點的對比，展望了低溫污水生物處理技術的發展前景。

低溫；污水處理；絮狀污泥；厭氧顆粒污泥；好氧顆粒污泥

溫度是影響微生物生長的重要生態因子，其對微生物菌群的生長繁殖與代謝活性具有深遠的影響。研究表明，在適宜溫度范圍內，溫度每升高10℃，其化學反應速率通常增加2-4倍［1］。微生物對水中污染物的降解速率主要受微生物胞內酶和胞外酶的催化作用影響，而酶對溫度具有高度敏感性，酶活性的高低對污染物處理效能影響顯著，但是溫度對酶活性具有雙重影響：（1）酶促反應速度在一定溫度范圍（0-40℃）內，隨溫度升高而加快；（2）大多數酶都是蛋白質，隨著溫度升高，酶變性速度加快。采用活性污泥對低溫污水進行處理，其微生物吸附能力、沉降性能、生長速率和代謝能力會受較大影響，污水處理效能顯著降低［2，3］。同時，我國北方地區冬季漫長，天氣寒冷，南方地區缺乏保溫措施，污水溫度都維持在10℃左右，這樣的低溫會造成北方地區污水處理廠取暖成本增加，以及南方地區污水處理廠外碳源和化學除磷藥劑的增加，進而增加了冬季污水處理廠運行成本，造成出水水質波動較大，嚴重威脅人類健康，破壞生態平衡。

本文以不同形態的活性污泥為出發點，總結了不同形態污泥微生物的特性、適用性和應用情況，并對3種污泥的優缺點進行對比，為低溫污水生物處理技術的研究提供理論依據和技術支持。

1 絮狀活性污泥處理低溫污水

我國大部分城鎮污水處理廠均采用A/O、A2/O或氧化溝工藝處理生活污水，這樣的工藝都是選用絮狀活性污泥對生活污水進行處理。當溫度低于10℃時，污水中有機物降解速率減慢，硝化與反硝化速率均受到較大影響［4］。污泥齡是生物除磷系統中極為重要的參數，15℃條件下，當污泥齡降低時，污水化學耗氧量（Chemical oxygen demand，COD）去除率僅降低4%，但是在5℃條件下，污水COD去除率下降21%［5］。Monsalvo［6］采用活性污泥處理富含苯酚（525 mg/L）和4-氯酚（2 100 mg/L）的廢水時發現，只有35℃條件下，苯酚和4-氯酚可以被完全降解，出水生態毒性顯著降低；而在低溫條件下，污泥對苯酚和4-氯酚降解能力極低。以上結果都證明低溫對絮狀活性污泥系統具有重要影響。

雖然低溫條件對絮狀活性污泥系統影響較大，但是學者們仍然致力于提高基礎研究的理論水平指導試驗，開發新工藝和引進新技術，以提高污水處理效能。在使用鞘糖脂作為標記物時，Tsuge［7］發現絮狀活性污泥內微生物種群隨季節發生變化，真菌更加適應低溫環境，在寒冷季節（水溫10℃），微生物菌群依然會顯著降低污水生物耗氧量（Biological oxygen demand，BOD）真菌的存在有利于維持反應體系的穩定。通過對比低溫條件下Paracoccus denitrficans、Pseudomonas fluorescens及其共培養菌群反硝化能力發現，溫度在10℃以下時，雖然共培養菌群可以得到較高的反硝化速率，但是純培養的Paracoccus denitrficans和 Pseudomonas fluorescens的反硝化效能更高，這主要是因為共培養菌群生長速率較慢，活性較低；同時研究也發現三者的比反硝化速率與各菌群生物量、各組分中蛋白質類物質含量［8］及溫度有較大關聯［9］。由于冬季污水處理廠水溫較低，選擇短程硝化可以提高污水的脫氮效果。研究表明［10］，當溫度由25℃降低至15℃時，雖然絮狀活性污泥比氨氧化速率降低1.5倍，但是短程硝化過程不會被破壞，其積累率仍然可以達到90%（最高95%）。因此，選擇性的強化亞硝化細菌，淘汰硝化細菌有助于實現低溫條件下的短程硝化過程，從而彌補低溫條件下微生物生長緩慢，適應性較差的劣勢。在生物強化除磷系統中（Enhanced biological phorphorus removal，EBPR），Li［11］發現不同溫度條件下，80%的總磷去除是通過微生物細胞胞內吸附實現的，5℃、10℃和15℃條件下，系統的總磷去除率分別為90%、95%和83%，其中5℃時系統總磷去除率較高是因為低溫有利于EPS除磷，其EPS對總磷去除的貢獻達13%（以磷酸鎂沉淀為主）。同時，由于聚磷菌（Phosphorus accumulating organisms，PAO）和聚糖菌（Glycogen accumulating organisms，GAO）對底物利用存在競爭，因此抑制GAO的活性有利于生物除磷，10℃條件下，GAO的厭氧轉化能力受到嚴重抑制（GAO對乙酸鹽的攝取能力顯著下降）。而且，通過控制SRT也可以有效抑制GAO的生長和繁殖。以上兩因素共同作用，可以使PAO成為EBPR內的優勢菌群［12，13］。

另外，Guo［14］通過馴化大量特定功能菌群，富集后將其投加到污水處理廠中，僅15 d污水處理廠處理效能顯著提高，出水水質穩定，環境微生物鑒定技術biolog的結果表明，絮狀活性污泥系統內微生物菌群結構及代謝能力雖然隨溫度變化而變化，但是微生物菌群對進水波動的適應能力較強，使反應體系始終處于穩定高效狀態。Xu等［15］在研究中發現，當將絮狀活性污泥系統（10℃）置于7 mT靜磁場中時，雖然活性污泥比乙酸吸收率降低了29%，但是PHB最高產量和比乙酸產PHB率分別提高32%和28%，其主要原因在于靜磁場會促進乙酰CoA導流至PHB的合成過程中，并能夠抵消較高乙酸鹽濃度和低溫對絮狀活性污泥系統造成的不利影響。

2 厭氧顆粒污泥處理低溫污水

厭氧生物污水處理技術發展已有130年歷史，但直到20世紀70年代，該技術才取得突破性進展，處理效果趨于穩定。利用上流式厭氧污泥床（Upflow anaerobic sludge blanket，UASB），膨脹顆粒污泥床（Expanded granular sludgebed，EGSB）和厭氧折流板反應器（Anaerobic baffled reactor，ABR）均可以在適宜條件下培養厭氧顆粒污泥［16-18］，使得厭氧生物處理技術的應用更加廣泛。

其中以厭氧顆粒污泥處理有毒有害廢水的應用為最多。低溫條件下，厭氧顆粒污泥對苯酚的處理效果較好，其對苯酚去除率高達99%，出水苯酚含量低于4 mg/L，當溫度逐漸降低至9.5℃時，苯酚去除率有所下降，出水苯酚含量升高，但是其甲烷產量仍然可以達到3.3 L/gCOD·d，比苯酚降解率和比甲烷產率分別達到68 mg/gVSS·d和12-20 mL/gVSS·d，表現出厭氧顆粒污泥可以耐受較高的苯酚負荷，高效處理有毒的苯酚廢水的能力［19］；厭氧顆粒污泥中營H2產甲烷菌占據優勢，營乙酸鹽產甲烷菌活性較低［20］。厭氧顆粒污泥對三氯苯酚的處理效果同樣很好，其對三氯苯酚有較好的適應性，隨著三氯苯酚負荷提高，系統COD去除率依然保持穩定，三氯苯酚的礦化過程通過還原脫氯實現，三氯苯酚逐級被降解為二氯苯酚，4-氯酚或2-氯酚［21］。當利用厭氧顆粒污泥處理制藥廢水（主要成分丙醇、甲醇和丙酮）時，其微生物活性仍然較高，系統COD去除率始終穩定在60%-70%，嗜冷的營H2產甲烷菌是顆粒污泥的優勢菌群［22］。厭氧顆粒污泥［23-27］還被用來處理甲苯廢水、三氯乙烯廢水、乳品廢水、食品工藝廢水和釀酒廢水等。此外，Tsushima等［28］利用EGSB處理蔗糖廢水時發現，當反應器運行溫度由20℃逐漸降低時，其COD去除率沒有明顯變化，10℃時廢水處理效果仍然很好，厭氧顆粒污泥中Anaerobivrio sp.和Lactococcus sp.比例顯著升高，但是在低溫條件下直接啟動反應器時，厭氧顆粒污泥中營H2產甲烷菌含量增多且活性較高。MoKeawn［29］利用EGSB處理酸化廢水時，通過系統COD去除率達到80%以上，沼氣成分高達65%以上，得到可以利用低溫長期運行反應器的方式，選擇性地篩選嗜冷產甲烷菌（使其活性與中溫產甲烷菌活性接近）的結論，但是當溫度和有機負荷進一步降低時，50%以上的厭氧顆粒污泥都會解體。

接種嗜冷微生物也是一種較為有效且經濟的處理低溫污水的方法［30］，Li等［31］在利用EGSB處理海藻酸鈉生產廢水時，向反應系統接種兩種嗜冷厭氧消化細菌，系統COD去除率由55.4%升高到72.6%，并發現無機沉淀，微生物菌群的變化和底物的限制都會引起厭氧顆粒污泥解體。當向UASB中接種15℃冷適應污泥時，系統COD去除率可以達到90%-95%，甲烷產量250 L/kg COD，系統消耗能源的75%以甲烷的形式被回收。

3 好氧顆粒污泥處理低溫污水

利用好氧顆粒污泥技術處理低溫污水的研究還較少，其主要原因在于低溫條件下，好氧顆粒污泥形成過程較為復雜，好氧顆粒污泥反應器的快速啟動與穩定運行受好氧顆粒污泥形成過程的制約。目前，開展低溫好氧顆粒污泥技術的研究團隊相對較少［32-35］。

de Kreuk［36］在研究低溫好氧顆粒污泥技術時發現，當在8℃啟動反應器時，大量污泥因為沉降性能較差而流失，反應器運行極不穩定，好氧段COD的存在是污泥系統不穩定的主要因素，但是當以20℃啟動反應器并逐步降低溫度至15℃和8℃時，溫度的變化對好氧顆粒污泥的穩定性沒有影響，生物量也基本保持不變；低溫對好氧顆粒污泥硝化能力的抑制作用要低于其對絮狀活性污泥硝化能力的抑制作用［37］，溫度降低時，好氧顆粒污泥反硝化能力降低，導致總氮去除能力下降，但是其對COD和總磷的去除效果沒有受到影響。Bao等［38］在研究中直接以10℃、葡萄糖和乙酸鈉作為共同碳源條件啟動反應器，結果發現在反應器運行初始階段，積累率達35%-43%，降低有機負荷會減輕的積累，但是一段時間之后，系統內-N濃度再次提升，積累率升高到94.8%；靜態進水階段及好氧曝氣的前20-30 min均有釋磷現象發生，溫度的降低和有機負荷的降低都沒有對好氧顆粒污泥的除磷效果產生影響，聚羥基脂肪酸脂（Polyhydroxyalkanoates，PHA）中聚羥基戊酸脂（Ployhydroxyvalerate，PHV）比例的增加會提高反硝化聚磷菌對的利用率，而對反硝化聚磷菌的抑制濃度是60 mg/L［39］。

4 不同形態污泥特性對比

利用不同形態的絮狀活性污泥、厭氧顆粒污泥和好氧顆粒污泥均可處理低溫污水，不同形態污泥的特性及適用范圍，如表1所示。

厭氧顆粒污泥和好氧顆粒污泥無論在污泥生物量、沉降性能、系統穩定性等方面都優于絮狀活性污泥，采用顆粒污泥技術的污水處理廠，其水廠占地面積、能源消耗以及資本支出和運營成本等均明顯低于采用絮狀活性污泥技術的污水處理廠。顆粒污泥廣泛的適用范圍對解決污水中難降解污染物、有毒污染物和重金屬等難以處理的問題都具有一定的優勢。在顆粒污泥的形成過程中，主要通過胞外聚合物對污泥微生物的黏附作用實現污泥的顆粒化，因此顆粒污泥內部較致密、穩固的結構可以抵御溫度降低對污泥微生物活性造成的沖擊，使其在低溫條件下仍保持較高的微生物活性。

表1 低溫條件下不同形態污泥特性對比

5 結語

目前，低溫污水的生物處理技術仍存在較多問題。采用絮狀活性污泥處理低溫污水，其污泥吸附能力、沉降性能和微生物活性等均會受到較大抑制，特別在冬季污水處理廠的運行過程中，需要投加外碳源以保證出水總氮達標排放，這無疑大大增加了系統的處理難度和運行成本。厭氧顆粒污泥的培養周期較長，需要較高的運行溫度，培養過程較為復雜，往往還需要串聯好氧生物處理技術以保證出水水質穩定和出水達標排放。好氧顆粒污泥的培養技術較為復雜，其對pH和DO均較為敏感，因此目前采用好氧顆粒污泥技術的工程化應用項目還較少。

低溫污水處理效果較差，資金投入較高的問題在我國冬季污水處理運行過程中普遍存在。在保持進水量、水質穩定的同時，迫切需要開發適宜處理低溫污水的生物處理技術。耐冷細菌的富集強化和新型載體的投加是基于絮狀活性污泥處理低溫污水的新技術。顆粒污泥的培養過程相對漫長，培養條件相對嚴苛，因此解決上述兩個重要問題，將會大力推動顆粒污泥技術的發展與應用。此外，利用基因工程技術將具有特定功能的基因在體外構建DNA分子，導入污泥微生物細胞，進而選育出對污水中難降解污染物、有毒污染物和重金屬具有較強處理能力的污泥微生物種群，對低溫污水生物處理過程具有戰略意義。

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（責任編輯 狄艷紅）

Biological Wastewater Treatment at Low Temperatures：Advances and Future Trends

Wang Shuo1，2Shi Wenxin3Wang Yan1Yu Shuili3Li Ji1
（1. Jiangsu Key Laboratory of Anaerobic Biotechnology，School of Environment and Civil Engineering，Jiangnan University，Wuxi214122；2. State Environment Protection Key Laboratory of Microorganism Application and Risk Control，Tsinghua University，Beijing100084；3. State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，Harbin Institute of Technology， Harbin150090）

The efficiency of wastewater treatment decreases due to the low temperatures in the winter season in most parts of China， which results of the increase of the operation cost， and hence an adverse impact on the environment and damages to human health. The recent advances on the biological wastewater treatment technologies at low temperatures were sammanzed. In terms of the morphological types of sludge（e.g.2floc sludge， anaerobic granular sludge and aerobic granular sludge）， their advantages and disadvantages were compared and the trends on biological wastewater treatment at low temperatures were prospected.

low temperature；wastewater treatment；floc sludge；anaerobic granular sludge；aerobic granular sludge

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.05.008

2014-09-19

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2013ZX07314-002，2013ZX07315-003），國家環境保護環境微生物利用與安全控制重點實驗室開放基金（SMARC2013D006），污染控制與資源化研究國家重點實驗室開放課題（PCRRF13022），中央高校基本科研業務費專項資金（JUSRP11434）

王碩，男，博士，副教授，研究方向：污水生物處理；E-mail：shuowang@jiangnan.edu.cn

李激，碩士，教授，研究方向：污水處理廠運行與調控；E-mail：lji18@126.com